【ITニュース解説】Learn x86-64 assembly by writing a GUI from scratch (2023)

この記事は、x86-64アセンブリ言語という非常に低レベルなプログラミング言語を用いて、グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を完全にゼロから構築する方法を解説するものだ。システムエンジニアを目指す上で、コンピュータがどのように動作しているかを深く理解することは非常に重要であり、この取り組みはその究極とも言える学習方法を提供している。

まずアセンブリ言語について説明する。普段、私たちが使うPythonやJava、C++といったプログラミング言語は「高水準言語」と呼ばれる。これは人間にとって理解しやすいように設計されており、抽象度が高い。しかし、コンピュータのCPU（中央演算処理装置）は、これらの高水準言語を直接理解することはできない。CPUが理解できるのは、0と1の組み合わせで構成される「機械語」だけである。アセンブリ言語は、この機械語とほぼ一対一に対応する命令を、人間が多少なりとも理解しやすい記号（ニーモニック）で記述する言語である。例えば、「Aの値をBに移動する」「CとDを足し合わせる」といった非常に基本的な操作を、CPUが直接実行する形で記述していく。高水準言語なら数行で書ける処理も、アセンブリ言語では何十行、何百行にもなることが珍しくない。

x86-64は、現在私たちが日常的に使っているパソコンのCPUの多くが採用しているアーキテクチャの名前だ。そして「64」は、そのCPUが一度に処理できるデータのサイズが64ビットであることを示している。これは、より大きなメモリ空間を扱えたり、より高速なデータ処理が可能になることを意味する。この記事では、この主流の64ビット環境向けのアセンブリ言語を扱うため、実践的な知識が得られる。

次に、GUIを「ゼロから」作るという部分について考える。GUIとは、私たちが普段、マウスでクリックしたり、キーボードで入力したりする際に目にする、ウィンドウやボタン、メニューバーといったグラフィカルな表示と操作の仕組み全体のことだ。通常、アプリケーション開発者は、WindowsのAPIやLinuxのX Window System、あるいはQtやGTKといったGUIツールキット、Webフレームワークなど、OSや高水準言語が提供する便利な機能やライブラリを利用してGUIを構築する。これらは、複雑な描画処理やイベント処理を抽象化してくれるため、開発者はアプリケーションのロジックに集中できる。しかし、この記事の挑戦は、これらの抽象化された層を一切使わず、CPUの命令とOSが提供する最も基本的なシステムコール（OSに直接処理を依頼する機能）だけを使って、ピクセル単位で画面に絵を描き、マウスやキーボードからの入力を直接受け取って処理するというものだ。これは、OSがいかに複雑な処理を肩代わりしてくれているか、そして画面に何かを表示したり、ユーザーの操作に反応させたりするために、どれだけの低レベルな手順が必要かを学ぶ機会となる。

なぜ、これほどまでに手間のかかる方法でGUIを作るのだろうか。その理由はいくつかある。一つは、コンピュータの動作原理の深い理解を得られる点だ。アセンブリ言語でGUIを作ることは、CPUがどのように命令を実行し、メモリと連携し、ディスプレイに描画しているのか、またOSがアプリケーションとハードウェアの間でどのような役割を果たしているのかを、文字通り体で覚えることを意味する。これは、高水準言語でのプログラミングでは得られない、根本的な知識である。二つ目に、抽象化の恩恵を理解できる点がある。普段何気なく使っているGUIツールキットやOSの機能が、内部でどれほど複雑な処理を行っているかを実感できる。これにより、高水準言語やフレームワークがいかに開発効率を上げているか、そのありがたみを深く理解できる。三つ目に、問題解決能力の向上がある。低レベルな環境でのデバッグは非常に困難だ。レジスタの値やメモリの内容を直接確認しながら問題を解決する経験は、どのようなプログラミングにおいても役立つ問題解決能力と洞察力を養う。最後に、究極のパフォーマンス最適化だ。究極のパフォーマンスを追求する場合、アセンブリ言語による最適化が必要になることがある。この記事で学ぶ知識は、そうした場面での基盤となる。

システムエンジニアの仕事で直接アセンブリ言語を書く機会は、組み込みシステム開発や特定のパフォーマンスが求められる場面を除けば、それほど多くはないかもしれない。しかし、このレベルでの学習は、OSの内部動作、コンパイラの仕組み、仮想化技術、ネットワークプロトコルといった、より高レベルなシステムを理解するための強固な基礎となる。例えば、メモリ管理の仕組みや、プログラムがクラッシュしたときの原因究明、あるいはセキュリティ脆弱性の解析など、深い知識が求められる場面で、この低レベルな視点が非常に役立つ。表面的な知識だけでなく、その裏側にある原理原則を理解することで、予期せぬ問題に直面した際にも、より的確かつ迅速に対応できるシステムエンジニアになれるだろう。

この記事は、単にGUIをアセンブリで作るという技術的な挑戦に留まらず、コンピュータシステム全体の深い理解へと導く貴重な学習リソースだ。システムエンジニアを目指す初心者にとって、すぐさまアセンブリ言語をマスターする必要はないかもしれないが、このような低レベルなプログラミングの世界に触れることで、普段使っているツールや言語の裏側で何が起きているのかを想像する力が養われる。それは、現代の複雑なITシステムを設計し、構築し、運用していく上で不可欠な、本質的な洞察力を育む第一歩となるだろう。